ساعة نووية صينية تجريبية تتفوق بستة أضعاف على أول جهازين في العالم من حيث الاستقرار

أصبحت الساعة النووية الصينية التجريبية الخيار الأكثر استقراراً بين أول جهازين عاملين في العالم. اكتشف باحثو جامعة تسينغهوا أن استقرار تشغيل ساعتهم يبلغ حوالي ستة أضعاف النظام المنافس في فيينا. وتعتمد ساعتا الفريقين على نوى يورانيوم-229 محاصرة في بلورات، وهي طريقة تنقل آلية حساب الوقت من الإلكترونات إلى النواة الذرية. وتمثل هذه النتيجة خطوة جديدة في فئة جديدة من حساب الوقت الدقيق. وقد توفر الساعات النووية أيضاً للفيزيائيين طريقة جديدة لاختبار القوانين الأساسية للطبيعة.

اكتشف فريق تسينغهوا أن بلورات مصنعة بشكل منفصل أنتجت إشارات ساعة متطابقة تقريباً. أظهرت قياساتهم توافقاً بحوالي ثلاثة أجزاء في كل عشرة تريليونات. يشير هذا الاكتشاف إلى أن الإشارة لا تعتمد على نوع خاص من البلورات. وتتوافق هذه النتيجة أيضاً مع نتائج القياس المبكرة لباحثي JILA في كولورادو. وقال دينغ شيكوان، المسؤول عن بحث تسينغهوا، إن هذه النتيجة تعزز الحجة لصالح الساعات النووية القابلة للتكرار. وقد يتمكن الباحثون في النهاية من تحويل هذه التكنولوجيا إلى معيار زمني عملي.

استقرار الساعة النووية وخصائص إشارتها

ومع ذلك، لم تصل هذه الساعة بعد إلى الاستقرار الذي تحققه أفضل الساعات الذرية. فقد عرفت الساعات الذرية معايير حساب الوقت الدقيقة على مدى الـ 70 عاماً الماضية. تتعقب الساعات الذرية التغيرات في حالات طاقة الإلكترونات، بينما تراقب الساعات النووية التحولات داخل النواة الذرية. وقد يكون هذا الفرق ذا أهمية خاصة، لأن المنطقة التي تشغلها الإلكترونات أكبر بكثير من النواة، بينما النواة أصغر حجماً وأكثر كثافة.

يوفر الثوريوم-229 ميزة نادرة لحساب الوقت النووي. فنواه قادرة على الاستجابة للضوء فوق البنفسجي، ويمكن الوصول إلى طاقتها باستخدام الليزر الحالي. تحتاج معظم النوى إلى طاقة أعلى لتحقيق تحولات مشابهة. نجح العلماء في عام 2024 في تحفيز الثوريوم-229 باستخدام الليزر. يولد نظام تسينغهوا الضوء فوق البنفسجي عن طريق تسخين بخار الجرمانيوم إلى 1,112 درجة فهرنهايت. يوجه الباحثون الشعاع نحو بلورة صغيرة مشوبة بالثوريوم، حجمها أصغر من حبة أرز، لكنها تحتوي على حوالي عشرة كوادريليونات من نوى الثوريوم.

يستخدم جهاز الساعة النووية في فيينا بلورة تحتوي على حوالي 200 ضعف نوى الثوريوم. قارن الباحثون إشارته بساعة ذرية عبر 6 أميال من الألياف الضوئية. اكتشف باحثو فيينا أن إشارة الساعة تتغير قليلاً اعتماداً على موضع مرور الليزر عبر البلورة. يؤدي هذا التذبذب إلى احتفاظ الجهاز بوقت مختلف قليلاً كل يوم. وقد يساعد تحسين البلورة الباحثين على تقليل هذه المشكلة.

التطبيقات المحتملة للساعات النووية وتحدياتها

يمكن للساعات النووية رصد الظواهر الفيزيائية، لأن الحجم الأصغر للنواة قد يقلل التداخل من المجالات الكهربائية والمغناطيسية الخارجية. وقد يساعد التداخل الأقل في نهاية المطاف الساعات النووية على تحقيق دقة فائقة. ويمكن للساعات النووية أيضاً مساعدة الباحثين في التحقيق في المادة المظلمة. يمكن للفيزيائيين مقارنة الساعات النووية والذرية لرصد التغيرات الدقيقة في الثوابت الفيزيائية الأساسية. وقد استخدم باحثو فيينا ساعتهم بالفعل في بحث عن المادة المظلمة، ولم يسفر التجربة عن أدلة على المادة المظلمة.

لا يزال الباحثون يواجهون تحديات كبيرة في المواد والهندسة. الثوريوم-229 نادر للغاية، مما يحد من تجارب تصميم البلورات الجديدة. يمكن للبلورات الأفضل توزيع الثوريوم بشكل أكثر تجانساً وتقليل العيوب الداخلية. ويمكن لليزر الأقوى أيضاً تحسين أداء الساعة. حالياً، تعتمد الأنظمة المدعومة بالساعات الذرية على حساب وقت دقيق للغاية، بما في ذلك الملاحة عبر الأقمار الصناعية. تحتاج الساعات النووية إلى تحسين كبير في الأداء لتحدي هذه الأنظمة الراسخة. يأمل الباحثون في النهاية في إخراج الساعات النووية من المختبرات المتخصصة، ويمكن للتصاميم المدمجة أن تجعل دقة حساب الوقت الفائقة قابلة للتطبيق في نطاق أوسع من التطبيقات.

نُشر البحث في مجلة «نيتشر».

التطور المستقبلي لتكنولوجيا الساعات النووية وتحدياتها

تُظهر تكنولوجيا الساعة النووية الصينية استقراراً ملحوظاً، وهذا لا يدفع تطور حساب الوقت الدقيق فحسب، بل قد يغير أيضاً طريقة البحث في الفيزياء. ونظراً لأن الساعات النووية قادرة على تقليل التداخل الخارجي، فإنها تمتلك إمكانات مستقبلية للعب دور مهم في أبحاث المادة المظلمة واختبار الثوابت الفيزيائية الأساسية. ومع ذلك، لا تزال ندرة الثوريوم-229 وتحديات المواد والهندسة تشكل عقبات رئيسية. إذا تم التغلب على هذه التحديات، فقد تحل الساعات النووية محل الساعات الذرية التقليدية في تطبيقات أوسع، مما يجلب اختراقات تقنية جديدة.